基于FPGA的外差干涉信号处理方法

引 言

在现代超精密加工设备中，激光干涉检测系统由于其高灵敏度、高精度及非接触性等特点已得到广泛应用。随着半导体技术及微电子技术的迅速发展，对精密加工技术及零件加工精度的要求也越来越高，用于高精度位移测量的激光测量技术也成为当今重要研究课题［1］。

外差干涉仪是激光干涉检测系统的一种，目前国内外常用的外差干涉仪的信号处理方法有: 频率解调法和相位解调法［2-7］，以及在这两者基础上发展而来的混合法。频率解调法实质上将干涉仪测量系统中可移动棱镜运动产生的多普勒频移转换成正负脉冲，该脉冲记载着测量信号的变化量，然后送入可逆计数器进行计数，计数值经数据处理后即得测量结果［8-10］。相位解调法即相位测量法，相位测量法可分为广义和狭义两种，狭义的相位测量是指不满整周期相位差的测量，广义的相位测量包括整数相位差测量和不满整周期的小数相位差测量［11］。混合法［11］即锁相倍频计数法( 频率解调法) 与小数相位差测量( 相位解调法) 相结合的测量方法。

本文中设计的外差干涉信号处理方案为广义的相位测量，采用整周期相位差测量和不满整周期相位差测量相结合的处理方法，利用现场可编程门阵列( fieldprogrammable gate array，FPGA) 器件来处理外差干涉信号。FPGA 具有在系统可编程的特点，丰富的硬件资源、高速的并行处理能力，使其能实时完成信号处理。以往在利用 FPGA 处理大数计数过程中，是采用先对参考信号和测量信号分别计数，然后再将计算结果对减的方法。这种方法很容易超出计数器容量，并且在对两路信号进行计数时很难做到同步锁存。本文中改进了以往利用 FPGA 对大数计数处理的不足，先对参考信号和测量信号进行对顶错位脉冲消除处理，然后再计数，这样大大减小了送入计数器脉冲个数，也无需对两路信号进行同步锁存，更易于结果实现。

1 外差信号处理设计方案

本方案采用一种整数计数和小数计数相结合的相位测量方法，整数计数主要指两路外差信号的整周期波形相位之差计数，这关系到干涉仪的量程。小数计数就是不满一个整周期的相位差测量，即指 360°内的相位测量，这关系到干涉仪的分辨力。

为了保证数据显示的实时性，并考虑到数据处理所用计数器等容量问题，采用分时采样。在任一的采样时间段内，整周期计数采用先对顶脉冲相消、错位脉冲相减，然后再计数的处理方案。小数计数采用填脉冲法，在任一个采样时间段内，以参考信号的上升沿为起始信号，测量信号的上升沿为终止信号。以 t0～ t1时间段采样为例，当参考信号上升沿来临时，启动小数计数器，对测量信号进行填脉冲计数，测量信号的上升沿来临时计数器停止计数，依据此方法记录下 n0和 n1的值。则在 t0～ ti时间段内，小数部分相位差为 ni－n0; 同理在时间段 t0～ ti内，小数部分相位差为 ni－ n0，设计方案的原理图如图 1 所示。